JP2005028455A - インベストメント鋳造法並びにそれに用いるコア及びダイ - Google Patents

Abstract

【課題】 インベストメント鋳造プロセスによって部品を製作する方法を、鋳造コアを製作する方法、本方法により製作された鋳造コア及びこのようなコアを製作するためのダイと共に提供する。
【解決手段】 部品（１０）を製作する本方法は、少なくとも１つの内部キャビティを含む一体成形の犠牲ダイを形成する段階と、ダイの少なくとも１つのキャビティ内にセラミック及びキャリヤ流体を含むセラミックスラリーを導入する段階と、スラリーを硬化させてセラミック鋳造コアを形成する段階と、セラミック鋳造コアを完全な状態に残しながら犠牲ダイを破壊するようになった環境に該ダイを曝すことによって、犠牲ダイを除去する段階と、セラミック鋳造コアをモールドコア組立体の一部として用いてインベストメント鋳造プロセスを実行して部品（１０）を形成する段階とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複雑な物品のインベストメント鋳造に関する。より具体的には、本発明は、複雑な物品をインベストメント鋳造するために一体形の犠牲コアの製造及び使用に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、加圧空気が、燃焼器内で燃料と混合され点火されて、１つ又はそれ以上のタービン段を通る高温燃焼ガスの流れを発生し、該タービン段がガスからエネルギーを取り出して出力を発生する。各タービン段は、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる対応するタービンブレードの列に対して燃焼ガスを向けるベーンを有するステータノズルを含む。ベーン及びブレードは、共に前縁と後縁との間を軸方向に延びるほぼ凹面形の「正圧」側面及びほぼ凸面形の「負圧」側面を有する翼形部を含み、作動中にこれら側面上を燃焼ガスが流れる。ベーン及びブレードは大きな熱負荷を受け、またガスタービンエンジンの効率はガス温度の関数であるので、効率に対する絶え間ない要求は、より長い実用期間にわたりより高温に耐えることができる翼形部に対する要求となって現れる。

ベーン及びブレードのような部品のガスタービン翼形部は、通常超合金で作られ、多くの場合内部冷却チャンバにより冷却される。タービン翼形部を内部空気冷却することは、多くの場合複雑な冷却方式によって達成され、この方式では冷却空気は、翼形部内部の流路（「内部空気冷却流路」）を通って流れ、その後翼形部表面の冷却孔の配列を通して吐出される。対流冷却は、冷却空気が冷却流路を通って流れるときの該冷却空気への熱伝達により翼形部内部で起こる。

ブレード及びベーンのようなタービン部品は、複雑な高精度の部品を製造するために用いられる技術であるインベストメント鋳造法によって製作される場合が多い。インベストメント鋳造法は、最初に鋳造する部品のろう型を形成し、次ぎにセラミックシェルでろう型を被包する。次ぎに被包したシェルを加熱して、セラミックを硬化させ、かつ鋳造する部品の正確な形状のキャビティを有するセラミックモールドを残してろうを溶融する。次ぎに溶融金属をセラミックシェルに注入して凝固させ、機械的及び化学的手段の組合せによってセラミックを除去して様々な仕上げ加工に適した最終金属鋳造品を製作する。内部流路を備えた部品を製作するのにこの方法を用いることは、セラミックシェルが流路を形成する内部モールドコアを含む必要があることによって複雑になる。これらのセラミックモールドコアは、多くの場合射出成形によって形成されるが、翼形部部品に対する所望の冷却流路構成がより複雑になるので、必要なモールドコアを形成できることは、射出成形ダイにおける回旋状の狭い通路を完全に充填するという射出成形プロセスに求められる要求により一層難しくなる。

近年、さらに一層高い冷却効率を達成するために多重翼形部壁を有するタービン部品が、設計されてきている。これらの設計の実例には、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載されたものが含まれる。このような複雑な設計に対する１つの欠点は、多重壁を備えた翼形部をインベストメント鋳造するのに伴う難しさ及び費用であるが、そのことは、冷却回路が従来型のダイ内への単一の射出（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）で必要なモールドコアを形成できないほど複雑であることによるものである。その代わりに、一般的に多数のコアを個別の射出によって形成し、次いで多数のコアを複合コアに組み立てる。この組立段階は、時間が掛かりかつ鋳造部品の最終寸法におけるばらつき、特に様々な壁の厚さ寸法におけるばらつきの原因となる。
米国特許第５４８４２５８号 米国特許第５６６０５２４号 特開２０００−２１３３０４号 特開２０００−２５７４０１号

従って、一体形のコアの形成が可能になる鋳造コアを形成する別の方法は、特に多重壁を有する部品の製作において有利であると思われる。さらに、その方法が現在の方法より時間が掛からずかつ反復可能であるような、多重壁を有する物品を形成する別の方法もまた、有利であると思われる。

これら及び他の必要性は、本発明の実施形態により解決される。

１つの実施形態は、部品を製作する方法である。本方法は、少なくとも１つの内部キャビティを含む一体成形の犠牲ダイを形成する段階と、ダイの少なくとも１つのキャビティ内にセラミック及びキャリヤ流体を含むセラミックスラリーを導入する段階と、スラリーを硬化させてセラミック鋳造コアを形成する段階と、セラミック鋳造コアを完全な状態に残しながら犠牲ダイを破壊するようになった環境に該ダイを曝すことによって、犠牲ダイを除去する段階と、セラミック鋳造コアをモールドコア組立体の一部として用いてインベストメント鋳造プロセスを実行して部品を形成する段階とを含む。

第2の実施形態は、鋳造コアを製作する方法である。本方法は、追加層製造法を用いて内部キャビティを含む一体成形の犠牲ダイを製造する段階と、ダイのキャビティ内にセラミック及びキャリヤ流体を含むセラミックスラリーを導入する段階と、スラリーを硬化させてセラミック鋳造コアを形成する段階と、セラミック鋳造コアを完全な状態に残しながら犠牲ダイを破壊するようになった環境に該ダイを曝すことによって、犠牲ダイを除去する段階とを含む。本発明の実施形態は、上述の方法により製作された鋳造コアをさらに含む。

さらに別の実施形態は、鋳造コアを製作するためのダイである。本ダイは、少なくとも１つのキャビティを備えた一体成形の構造体を含み、この構造体は、セラミック鋳造コアがこの少なくとも１つのキャビティ内に配置されたとき該セラミック鋳造コアから選択的に除去されることができる材料を含む。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通して同じ符号が同じ部品を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば一層良く理解されるであろう。

図１を参照すると、部品１０は、本発明の方法の実施形態によって製作されている。具体的な実施形態では、部品１０は、外部壁２０と該外部壁２０から間隔を置いた状態で配置された少なくとも１つの内部壁３０とを含む。このような部品は、本明細書では「多重壁部品」と呼ぶ。本発明のこの方法では、一体成形（シングルピース）の犠牲ダイを形成する。従来型のダイは、一般的に多数回使用するように構成され、通常は二部材（ツーピース）設計であるが、多重壁部品１０で用いられる冷却回路の複雑な幾何学的形状により二部材を有するダイを使用することが非常に難しくなりまた不可能になる場合も多く、従来の方法では多数の射出コアを形成しかつ複合コアに組み立てるのに付加的な時間と労力を必要とする。一体成形の犠牲ダイは、少なくとも１つの内部キャビティを含む。以下で使用する場合、数詞のない「キャビティ」という用語は、ダイの内部の少なくとも１つのキャビティを意味するのに用いるが、数詞のない「キャビティ」という用語を用いることはまた、１つ以上のキャビティがダイの内部に含まれる場合も意味していることを理解されたい。キャビティの形状は、部品１０を鋳造するのに用いる複雑なモールドコアに対して望まれる形状に一致する。

本発明の或るの実施形態によると、一体成形の犠牲ダイは、１つ又はそれ以上の追加層製造プロセスを使用することにより形成される。具体的な実施形態では、ダイは、エポキシ、シリコーン及び金属からなる群から選定された少なくとも１つの犠牲材料を含む。追加層プロセスでは、製品は、一般的に該製品の１つの端部から始めて反対側の端部に向かって作業しながら、１つまた１つと薄い断面層を形成し順次に積重ねることによって「組み立てられ」る。このような方法は、製品の三次元コンピュータ支援製図（「ＣＡＤ」）ファイルを用いて自動組立プロセスを誘導することも多く、この自動組立プロセスにおいては、ＣＡＤモデルファイルが、形成されかつ積重ねられる実際の層に対応する「スライス」にデジタル処理で分割され、これらの「スライス」によって、例えばロボットアームのような自動組立装置が誘導される。追加層プロセスの性質により、例えば密閉内部チャンバ及び蛇行内部流路のような内部が非常に複雑な一体成形の物品を１つの連続した操作で容易に組み立てることが可能になる。従って、本発明の実施形態で用いるような複雑な一体成形のダイは、鋳造を望む部品の複雑な内部冷却回路に一致する複雑な内部構造を有するように設計されることが多いので、追加層製造プロセスは、このようなダイを形成するのに良く適している。

光造形法（Stereo lithography（ＳＬＡ））は、本発明の実施形態において使用するのに適した追加層プロセスの実例である。ＳＬＡの間、ロボットアームがレーザを保持して、該アームが、「スライス」ＣＡＤファイルによって表現された移動経路に沿ってレーザの動きを正確に誘導する。レーザは、多くの場合液体樹脂であるレーザに曝されると即座に凝固する（「硬化する」）硬化形材料媒体上に高度に集束した放射を向け、それによって分割ＣＡＤファイルの「スライス」に対応する製品の単一の正確な再現断面層を形成する。この手順は、その後の全ての層に対して繰り返され、各層が、凝固する材料媒体の作用によって前の層に接着される。仕上がった製品は、ＣＡＤファイルに従った全ての寸法をもつように硬化材料で再現された三次元製品である。

当技術分野では多くの他の追加層製造プロセスが利用でき、かつ本発明の実施形態における一体成形の犠牲ダイを形成するのに適しており、それらプロセスには、それに限定するのではないが、ペン先において高い精度で液体媒体を排出し次ぎに硬化させるマイクロペン被着、レーザを用いて正確に制御した位置で粉体媒体を燒結する選択レーザ燒結、及びレーザによって供給原料を溶融し次ぎに正確な位置に付着させ凝固させて製品を形成するレーザワイヤ溶着が含まれる。様々な硬化形材料媒体を使用でき、それら材料媒体には、上述のような液体樹脂並びに粉体、ワイヤ及びシートのような様々な形態の固形媒体を含むことができることは当業者には分かるであろう。シリコーン系及び有機系の樹脂が、これらの方法で用いる硬化形媒体の最も普通の実例であるが、一部の方法では媒体は、或る種の樹脂と混合した少なくとも１つの金属を含むことも多い。

セラミックスラリーが、犠牲ダイのキャビティ（又は複数のキャビティ）内に導入される。スラリーは、セラミック粉体、及び液相すなわち「キャリヤ流体」を含む。スラリーは、十分な液相を含んでおり、通常約１００００パスカル秒よりも低い粘度、すなわちスラリーをダイキャビティ内に導入しかつ該ダイキャビティを適当に充填するのに適したものにする粘度になっている。スラリー内で用いるのに適したセラミックには、それに限定するのではないが、アルミナ、イットリア、セリア、ジルコニア、マグネシア及びカルシアが含まれる。多くの場合、セラミックスラリーのダイのキャビティ内への導入は、圧力下のスラリーによって行われ、スラリーがキャビティを完全に充填することを保証する。スラリーでダイキャビティを充填するときにスラリーの量及び圧力を正確に制御することができるので、射出成形は、スラリーをダイキャビティ内に導入するための適当な方法の実例である。

スラリーがダイキャビティを完全に充填した後に、スラリーを硬化させてセラミック鋳造コアを形成する。スラリーを硬化することは、液相を除去することによって行われ、また或る実施形態では、これは、スラリーを加熱してダイキャビティ内に含まれた状態でセラミック相のみを残しながらキャリヤ流体を蒸発させることによって行われる。

次ぎにダイは、ダイキャビティ内に含まれるセラミック鋳造コアの周りから除去される。ダイは一部材（ワンピース）であるので、破壊せずに除去することはできず、従って、ダイは、本発明の方法においては犠牲的なものである。セラミック鋳造コアを完全な状態に残しながらダイを破壊するようになった、例えば機械的応力、温度、化学薬品及びこれらの組合せのような環境にダイは曝される。或るの実施形態では、ダイを除去する段階は、ダイを加熱する段階を含む。これらの実施形態では、セラミックコアを影響を受けないままに保ちながらダイが分解されるか焼散されるようになる温度まで、ダイを加熱する。一部の実施形態では、ダイは、溶剤中でそれを溶解することによって除去される。溶剤の選択はダイの組成に応じて決まることは当業者には分かるであろう。一部の実施形態では、ダイは、ダイ材料と化学的に反応して該ダイ材料を除去するような例えば酸、塩基或いは他の化合物又は混合物とダイ材料を反応させることによって化学的方法で除去される。ダイがどのように除去されるかに関係なく、セラミック材料を完全な状態に残しながら選択的にダイ材料を除去するように、環境が選ばれる。

ダイを除去した後に、多重壁部品１０をインベストメント鋳造するのに用いるのに適した、自立構造の一体成形のセラミックコアが残る。セラミックコアは、一体成形の犠牲ダイを使用するためかつ或る実施形態ではダイを製作するのに追加層製造プロセスを使用するために、従来の方法により製作された一部材コアで達成することが可能であるよりも遙かに複雑なものとすることができる。多くの場合、コアは、約８７０℃〜約１１００℃の範囲の温度で焼成されて、その後の作業に耐えるのに十分な強度を備えたコアを形成する。インベストメント鋳造プロセスは、上で製作したセラミックコアをモールドコア組立体の一部分として用いて工業界の常法に従って実行されて部品１０を形成する。一般に、当業者に公知であるコア及び適当な補助的材料（位置決め及び支持ピン、湯口、ゲート等のような）が、鋳造する部品の設計に従って適当な形状にされたモールド内に配置される。ワックスをモールド内に注入し凝固させてワックスモデルを形成し、またコアが埋め込まれたこのワックスモデルをセラミックスラリー内に繰り返し浸漬してワックス型の周りにセラミックシェルモールドを形成する。ワックスを除去した後に、残るのはセラミックシェルモールド内に配置されかつ該セラミックシェルモールドに付着したセラミックコアだけであり、従って上で説明したモールドコア組立体が形成される。溶融金属をモールドコア組立体内で凝固させることによって部品を鋳造した後に、セラミックモールドを化学的又は機械的手段によって除去して、化学的除去剤によって部品からコアを「溶脱（ｌｅａｃｈｅｄ ｏｕｔ）」させる。

一体成形の犠牲ダイを用いて一部材セラミックコアを製作することにより、特に犠牲ダイを製作するためのＳＬＡ又は他の追加層製造プロセスを用いる実施形態においては、多数のコア部品を形成してワックス注入する前にそれらを互いに接合して複合コアにするという時間の掛かる段階なしに、高品質の鋳造品を反復可能に製作することが可能になる。

上述の方法は、あらゆるインベストメント鋳造物品を形成するのに適している。一部の実施形態では、製作する部品１０は、例えば多重壁ブレード又はベーンを含むタービンブレード又はベーンのようなタービン組立体の部品である。具体的な実施形態では、部品１０は、少なくとも１つの内部空気冷却通路４０を含む。内部通路の幾何学的形状の複雑さは、コアダイを形成するために用いる追加層製造プロセスによって容易に対処されるので、部品に追加の特徴形状を付加することは付加的な出費をほとんど伴うことなく容易に達成される。例えば、或る実施形態では、部品１０のこの少なくとも１つの冷却通路は、冷却通路４０内部の熱伝達を高めるためにタービュレータ（図示せず）を含む。

本発明の方法により得られる利点は、この方法を使用してこのような複雑な多重壁部品を製作する場合に、上述のような一体成形の犠牲ダイを用いることにより発生するおそれがあった時間及び費用の両方を節減できるにより、最もよく分かる。例えば、本発明の１つの実施形態は、タービン組立体用の部品を製作する方法である。部品は多重壁部品であり、従ってこの部品は、外部壁と該外部壁から間隔を置いた状態で配置された少なくとも１つの内部壁とを含み、さらに外部壁と内部壁との間に配置された少なくとも１つの冷却通路を含む。本方法は、光造形法を用いて少なくとも１つの内部キャビティを有する一体成形の犠牲ダイを成形する段階と、ダイの少なくとも１つのキャビティ内に前述したようなセラミックスラリーを導入する段階と、スラリーを硬化させてセラミック鋳造コアを形成する段階と、セラミック鋳造コアを完全な状態に残しながら犠牲ダイを破壊するようになった環境に該ダイを曝すことによって、犠牲ダイを除去する段階と、セラミック鋳造コアをモールドコア組立体の一部として用いてインベストメント鋳造プロセスを実行して部品を形成する段階とを含む。

本発明の他の実施形態は、鋳造コアを製作する方法及び本方法によって作成された鋳造コアを含む。この方法では、一体成形の犠牲ダイが、上述のような追加層製造法を用いて製造される。ダイは、少なくとも１つの内部キャビティを含み、そのキャビティ内にセラミックスラリーを導入し、次ぎに硬化させる。硬化の後に、ダイは、先に述べたように除去される。先の実施形態の場合に述べた材料及びプロセスに代わる様々な別の方法を、この実施形態では同様に適用可能である。

具体的な実施形態では、コアは、インベストメント鋳造物品内に例えば空冷通路のような内部通路を形成するように構成される。つまり、コアは、これらの通路の幾何学的形状に一致するように設計され、インベストメント鋳造プロセスを実施したとき、セラミックコアが内部通路の所望の構成を後に残して部品の内側表面から溶脱されることになるようになっている。或る実施形態では、コアをそれ向きに構成したインベストメント鋳造物品は、例えば多重壁部品のようなタービン組立体の部品である。

本発明の別の実施形態は、鋳造コアを製作するためのダイである。ダイは、少なくとも１つのキャビティを有する一体形成の構造体を含み、かつこのようなコアをダイのキャビティ内に配置したとき、セラミック鋳造コアから選択的に除去することができる材料で製作されている。つまり、ダイ材料は、先に述べたようにダイのキャビティ内に配置されたセラミック鋳造コアを完全な状態に残しながら、環境によって破壊することこができる。或る実施形態では、ダイの構造体は、先に述べたＳＬＡプロセスのような追加層製造プロセスで組み立てられた構造体を含む。

本明細書において様々な実施形態を説明しているが、当業者は要素の様々な組合せ、その要素における変更、均等の構成又は改良を加えることができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の実施形態により製造することができる例示的な部品の断面図。

符号の説明

１０ 部品
２０ 外部壁
３０ 内部壁
４０ 内部冷却通路

Claims (18)

1. 部品（１０）を製作する方法であって、
   少なくとも１つの内部キャビティを含む一体成形の犠牲ダイを形成する段階と、
   前記ダイの少なくとも１つのキャビティ内にセラミック及びキャリヤ流体を含むセラミックスラリーを導入する段階と、
   前記スラリーを硬化させてセラミック鋳造コアを形成する段階と、
   前記セラミック鋳造コアを完全な状態に残しながら前記犠牲ダイを破壊するようになった環境に該ダイを曝すことによって、前記犠牲ダイを除去する段階と、
   前記セラミック鋳造コアをモールドコア組立体の一部として用いてインベストメント鋳造プロセスを実行して前記部品（１０）を形成する段階と、
   を含む方法。
2. 前記一体成形の犠牲ダイを形成する段階が、少なくとも１つの追加層製造プロセスによって前記ダイを製作する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記追加層製造プロセスが光造形法を含む、請求項２記載の方法。
4. 前記追加層製造プロセスが、マイクロペン被着、選択レーザ燒結及びレーザワイヤ溶着のうちの少なくとも１つを含む、請求項２記載の方法。
5. 前記ダイが、エポキシ、シリコーン及び金属からなる群から選定された少なくとも１つの犠牲材料を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記セラミックスラリーが、アルミナ、イットリア、セリア、ジルコニア、マグネシア及びカルシアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記部品（１０）が、外部壁（２０）と該外部壁（２０）から間隔を置いた状態で配置された少なくとも１つの内部壁（３０）とを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記スラリーを導入する段階が、射出成形装置を作動させて前記ダイのキャビティ内にスラリーを導入する段階を含む、請求項１記載の方法。
9. 前記硬化させる段階が、前記スラリーを加熱して前記キャリヤ流体を蒸発させる段階を含む、請求項１記載の方法。
10. 前記ダイを除去する段階がダイを加熱する段階を含む、請求項１記載の方法。
11. 前記ダイを除去する段階がダイを溶剤中で溶解させる段階を含む、請求項１記載の方法。
12. 前記ダイを除去する段階がダイを化学的に除去する段階を含む、請求項１記載の方法。
13. 前記部品（１０）が、タービン組立体の部品（１０）である、請求項１記載の方法。
14. 前記部品（１０）が、ベーン及びブレードのうちの１つを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記部品（１０）が、外部壁（２０）と該外部壁（２０）から間隔を置いた状態で配置された少なくとも１つの内部壁（３０）とを含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記部品（１０）が、少なくとも１つの内部冷却通路（４０）を含む、請求項１４記載の方法。
17. 前記少なくとも１つの通路（４０）が、タービュレータをさらに含む、請求項１６記載の方法。
18. タービン組立体用の部品（１０）を製作する方法であって、
    光造形法を用いて少なくとも１つの内部キャビティを含む一体成形の犠牲ダイを形成する段階と、
    前記ダイの少なくとも１つのキャビティ内にセラミック及びキャリヤ流体を含むセラミックスラリーを導入する段階と、
    前記スラリーを硬化させてセラミック鋳造コアを形成する段階と、
    前記セラミック鋳造コアを完全な状態に残しながら前記犠牲ダイを破壊するようになった環境に該ダイを曝すことによって、前記犠牲ダイを除去する段階と、
    前記セラミック鋳造コアをモールドコア組立体の一部として用いてインベストメント鋳造プロセスを実行して前記部品（１０）を形成する段階と、
    を含み、
    前記部品（１０）が、外部壁（２０）と該外部壁（２０）から間隔を置いた状態で配置された少なくとも１つの内部壁（３０）とを含み、かつ前記外部壁（２０）と前記内部壁（３０）との間に配置された少なくとも１つの冷却通路（４０）をさらに含む、
    方法。

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